JP6418898B2 - Piezoelectric generator - Google Patents

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本発明は、圧電発電装置に関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric power generator.

従来から、圧電素子を利用した圧電発電装置が知られている。例えば、圧電体と金属板(振動板)とが接合された発電ユニットが支持体によって支持された構造を備え、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電発電装置が知られている(例えば、特許文献1、2を参照)。   Conventionally, piezoelectric power generation devices using piezoelectric elements are known. For example, there is known a piezoelectric power generation device that includes a structure in which a power generation unit in which a piezoelectric body and a metal plate (vibration plate) are joined is supported by a support, and converts vibration energy into electric energy (for example, Patent Documents). 1 and 2).

特開2006−032935号公報JP 2006-032935 A 特開2013−135596号公報JP 2013-135596 A

上記の圧電発電装置においては、小型化により共振周波数が高周波数側の振動領域に発現するため、低周波数側の振動領域での発電量が低いという問題があった。本技術分野においては、特に装置の小型化、発電効率の向上が求められている。   The piezoelectric power generation apparatus has a problem that the amount of power generation in the vibration region on the low frequency side is low because the resonance frequency appears in the vibration region on the high frequency side due to downsizing. In this technical field, it is particularly demanded to reduce the size of the apparatus and improve the power generation efficiency.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、低周波数側の振動領域での発電量を向上できる小型の圧電発電装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a small piezoelectric power generator that can improve the amount of power generation in a vibration region on the low frequency side.

本発明の圧電発電装置は、発電部である圧電素子と、振動板とを備え、該振動板に前記圧電素子が接合されてなる発電ユニットと、該振動板を支持する第1の支持体とを備えた圧電発電装置であって、前記振動板は、前記圧電素子から前記第1の支持体までの間の延出領域が、前記圧電素子を搭載する搭載面に垂直な方向の一方側に向けて突出するように屈曲した屈曲部および前記搭載面に垂直な方向の他方側に向けて突出するように屈曲した屈曲部を有していることを特徴とする。 The piezoelectric power generation device of the present invention includes a piezoelectric element that is a power generation unit and a diaphragm, a power generation unit in which the piezoelectric element is joined to the diaphragm, and a first support that supports the diaphragm. a piezoelectric power generator wherein the diaphragm is extended region between said piezoelectric element to said first support, on one side of the direction perpendicular to the mounting surface for mounting the piezoelectric element And a bent portion bent so as to protrude toward the mounting surface and a bent portion bent toward the other side in a direction perpendicular to the mounting surface .

本発明の圧電発電装置によれば、低周波数側の振動領域での発電量を向上させることができる。   According to the piezoelectric power generation device of the present invention, the amount of power generation in the vibration region on the low frequency side can be improved.

(a)は本実施形態の圧電発電装置の一例を示す概略斜視図、(b)は(a)に示す圧電発電装置の概略断面図である。(A) is a schematic perspective view which shows an example of the piezoelectric power generator of this embodiment, (b) is a schematic sectional drawing of the piezoelectric power generator shown to (a). 本実施形態の圧電発電装置の他の例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other example of the piezoelectric power generator of this embodiment. 本実施形態の圧電発電装置の他の例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other example of the piezoelectric power generator of this embodiment. 本実施形態の圧電発電装置の他の例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other example of the piezoelectric power generator of this embodiment. (a)は本実施形態の圧電発電装置の一例を示す概略斜視図、(b)は(a)に示す圧電発電装置の概略断面図である。(A) is a schematic perspective view which shows an example of the piezoelectric power generator of this embodiment, (b) is a schematic sectional drawing of the piezoelectric power generator shown to (a). 本実施形態の圧電発電装置の他の例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other example of the piezoelectric power generator of this embodiment. 本実施形態の圧電発電装置の他の例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other example of the piezoelectric power generator of this embodiment. 本実施形態の圧電発電装置の他の例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other example of the piezoelectric power generator of this embodiment.

以下、添付図面を参照して、本実施形態の圧電発電装置の一例を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。   Hereinafter, an example of the piezoelectric power generation apparatus of the present embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by embodiment shown below.

図1(a)は本実施形態の圧電発電装置の一例を示す概略斜視図、図1(b)は図1(a)の圧電発電装置の概略断面図である。図1に示す本実施形態の圧電発電装置は、発電部である圧電素子11と、振動板12とを備え、該振動板12に圧電素子11が接合されてなる発電ユニット1と、該振動板12を支持する第1の支持体21とを備えた圧電発電装置であって、振動板12は、圧電素子11から第1の支持体21の間の延出領域が、圧電素子11を搭載する搭載面122に垂直な方向の少なくとも一方側に向けて突出するように屈曲した屈曲部13を有している。   FIG. 1A is a schematic perspective view illustrating an example of the piezoelectric power generation device of the present embodiment, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric power generation device of FIG. The piezoelectric power generation apparatus of this embodiment shown in FIG. 1 includes a piezoelectric element 11 that is a power generation unit and a diaphragm 12, and a power generation unit 1 in which the piezoelectric element 11 is joined to the diaphragm 12, and the diaphragm. 1 is a piezoelectric power generation apparatus including a first support body 21 that supports a piezoelectric element 12. The diaphragm 12 includes a piezoelectric element 11 in an extension region between the piezoelectric element 11 and the first support body 21. The bent portion 13 is bent so as to protrude toward at least one side in a direction perpendicular to the mounting surface 122.

本実施形態の圧電発電装置は、発電部である圧電素子11および振動板12を含み、振動板12に圧電素子11が接合されてなる発電ユニット1を備えている。   The piezoelectric power generation apparatus according to the present embodiment includes a piezoelectric element 11 that is a power generation unit and a diaphragm 12, and includes a power generation unit 1 in which the piezoelectric element 11 is joined to the diaphragm 12.

発電ユニット1を構成する圧電素子11は、圧電性を有する圧電体とその両主面に設けられた電極とから構成されていて、振動板12から伝達された振動エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。圧電性を有する圧電体材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(lead zirconate titanate)、チタン酸鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム
、Bi層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物等の非鉛系圧電体材料等の圧電セラミックス、圧電体樹脂などを用いることができる。また、電極材料としては銀等を好適に用いることができる。なお、図示しないが、圧電素子11の電極は、これに接続された配線を介して外部回路と電気的に接続される。また、図1に示す圧電素子11は、矩形板状のものであるが、円板状などであってもよい。
The piezoelectric element 11 constituting the power generation unit 1 is composed of a piezoelectric body having piezoelectricity and electrodes provided on both main surfaces thereof, and converts vibration energy transmitted from the diaphragm 12 into electric energy. It is. Examples of piezoelectric materials having piezoelectricity include lead zirconate titanate, lead titanate, lithium niobate, lithium tantalate, Bi layered compounds, tungsten bronze structure compounds, etc. Piezoelectric ceramics, piezoelectric resin, etc. can be used. Moreover, silver etc. can be used suitably as an electrode material. Although not shown, the electrodes of the piezoelectric element 11 are electrically connected to an external circuit through wiring connected thereto. Further, the piezoelectric element 11 shown in FIG. 1 has a rectangular plate shape, but may have a disk shape or the like.

発電ユニット1を構成する振動板12にはエポキシ系やアクリル系などの樹脂接着剤を用いて圧電素子11が接合されていて、振動板12で発生した振動エネルギーが圧電素子11に伝達される。振動板12としては、良く弾性変形して屈曲しやすく、過負荷時に塑性変形をした際にも破断しにくいもので形成され、例えば0.05mm~0.5mmの厚
みとされる。このような材料として、例えば、リン青銅、黄銅、洋白、コルソン系合金、ステンレス(SUS)などの金属材料が挙げられる。これらを用いることで、振動板12の弾性変形領域を広くでき、繰り返し応力に対する疲労破壊耐性が高くなるため、耐久性を向上できる。ここで、金属材料からなる振動板(金属板)は、プレス打抜きやエッチングなどにより成型することができる。特に、振動板12として金属板などの導体を用いことで、外部回路と接続するための配線として用いることもできる。さらに、圧電素子11の電極を兼ねることもできる。なお、軽量化や加工難易度を鑑みて、アクリルなどの樹脂板を用いてもよい。また、図1に示す振動板12は、圧電素子11を搭載する領域と、圧電素子11から第1の支持体の間の延出領域121とを有する、平面視で矩形板状のものであるが、円板状などであってもよい。
A piezoelectric element 11 is bonded to the diaphragm 12 constituting the power generation unit 1 using a resin adhesive such as epoxy or acrylic, and vibration energy generated in the diaphragm 12 is transmitted to the piezoelectric element 11. The diaphragm 12 is formed of a material that is easily elastically deformed and easily bent, and that does not easily break even when plastically deformed during an overload, and has a thickness of, for example, 0.05 mm to 0.5 mm. Examples of such materials include metallic materials such as phosphor bronze, brass, white, Corson alloy, and stainless steel (SUS). By using these, the elastic deformation region of the diaphragm 12 can be widened, and the fatigue fracture resistance against repeated stress is increased, so that the durability can be improved. Here, the vibration plate (metal plate) made of a metal material can be formed by press punching or etching. In particular, by using a conductor such as a metal plate as the diaphragm 12, it can also be used as a wiring for connecting to an external circuit. Furthermore, it can also serve as the electrode of the piezoelectric element 11. In view of weight reduction and processing difficulty, a resin plate such as acrylic may be used. Further, the diaphragm 12 shown in FIG. 1 has a rectangular plate shape in plan view, which has a region where the piezoelectric element 11 is mounted and an extension region 121 between the piezoelectric element 11 and the first support. However, it may be disk-shaped.

発電ユニット1は、一対の第1の支持体21によって振動可能に支持されている。具体的には、振動板12における圧電素子11の両側から一対の第1の支持体21の間を延びる延出領域121を介して発電ユニット1全体が一対の第1の支持体21に支持されている。ここで、第1の支持体21は振動板12の端部を支持し、この支持された部位が振動板12を屈曲させる際の支点として働く。したがって、第1の支持体21は破損が発生しにくいものとし、さらに加えて振動板12の振動を減衰させないため、弾性変形も抑制する必要がある。一般的には硬さに優れたABS樹脂やポリプロピレンなどの樹脂、ステンレス(SUS)やリン青銅、黄銅などの金属が用いられる。第1の支持体21が樹脂からなる場合は、発電ユニット1を保持した状態で成型される。第1の支持体21として金属が用いられる場合、振動板12との導通を避けるため、振動板12との接触面に絶縁体を介在させてもよい。   The power generation unit 1 is supported by a pair of first support bodies 21 so as to vibrate. Specifically, the entire power generation unit 1 is supported by the pair of first support bodies 21 via extension regions 121 extending between the pair of first support bodies 21 from both sides of the piezoelectric element 11 in the diaphragm 12. ing. Here, the first support 21 supports the end portion of the diaphragm 12, and the supported portion serves as a fulcrum when the diaphragm 12 is bent. Therefore, the first support 21 is not easily damaged, and in addition, since the vibration of the diaphragm 12 is not attenuated, it is necessary to suppress elastic deformation. Generally, a resin such as ABS resin or polypropylene having excellent hardness, or a metal such as stainless steel (SUS), phosphor bronze, or brass is used. When the 1st support body 21 consists of resin, it shape | molds in the state which hold | maintained the electric power generation unit 1. FIG. When a metal is used as the first support 21, an insulator may be interposed on the contact surface with the diaphragm 12 in order to avoid conduction with the diaphragm 12.

そして、振動板12の延出領域121は、振動板12のうち圧電素子11を搭載する搭載面122(以下、単に搭載面122という場合がある)に垂直な方向の少なくとも一方側(上方向または下方向)に向けて突出するように屈曲した屈曲部13を有している。   The extension region 121 of the diaphragm 12 is at least one side (upward or downward) of a direction perpendicular to a mounting surface 122 (hereinafter, simply referred to as a mounting surface 122) on which the piezoelectric element 11 is mounted. It has a bent portion 13 that is bent so as to protrude downward.

具体的には、図1においては、振動板12の延出領域121において、搭載面122から垂直な方向(上方向)に向けて折れ曲がり、途中で折り返すように形成された屈曲部13を有し、再び搭載面122に垂直な方向から平行な方向に向けて折れ曲がるようになっている例を示している。なお、その外側では搭載面122に平行な方向に延びて、この外側に配置された第1の支持体21まで到達して、当該第1の支持体21に支持されている。   Specifically, in FIG. 1, the extension region 121 of the diaphragm 12 has a bent portion 13 that is bent in a direction perpendicular to the mounting surface 122 (upward) and folded in the middle. An example is shown in which it is bent again from a direction perpendicular to the mounting surface 122 toward a parallel direction. In addition, it extends in a direction parallel to the mounting surface 122 on the outer side, reaches the first support body 21 disposed on the outer side, and is supported by the first support body 21.

なお、振動板12が金属からなる場合は、プレス加工することにより屈曲部13を形成することができる。また、振動板12が樹脂からなる場合は、屈曲部13の形状にかたどられた金型を用いて射出成型することにより屈曲部13を形成することができる。   When the diaphragm 12 is made of metal, the bent portion 13 can be formed by pressing. In the case where the diaphragm 12 is made of resin, the bent portion 13 can be formed by injection molding using a mold having the shape of the bent portion 13.

ここで、出力電圧の上昇は、発電ユニット1の共振周波数に依存する。当該サイズの発電ユニット1を作製して、振動板12の両端を第1の支持体21にて保持した場合、材質により大きく変動するが、概ね共振周波数は2.5kHz近辺となる。しかしながら、一般的に振動発電を行うための外部印可振動は500Hz以下となることが多い。発電ユニット1の起電力は発電ユニット1自体の変位によるため、それ自体の共振周波数が振動周波数に近づくことで変位量が上昇し、その結果、出力電圧を上昇させることができる。   Here, the increase in the output voltage depends on the resonance frequency of the power generation unit 1. When the power generation unit 1 of the size is manufactured and both ends of the diaphragm 12 are held by the first support 21, the resonance frequency is approximately in the vicinity of 2.5 kHz, although it varies greatly depending on the material. However, generally, external applied vibration for performing vibration power generation is often 500 Hz or less. Since the electromotive force of the power generation unit 1 is due to the displacement of the power generation unit 1 itself, the amount of displacement increases when the resonance frequency of the power generation unit 1 approaches the vibration frequency, and as a result, the output voltage can be increased.

すなわち、本実施形態のような構成とすることで、圧電発電装置の小型化を維持しつつ、振動板12の実効長を長くすることができ共振周波数を低下させ、使用される周波数領域でのインピーダンスを低下できる。したがって、振動板12の出力インピーダンスを低下させ、負荷の入力インピーダンスに近づくことで、マッチングロスが減少するから、低周波数側の振動領域にて高い発電量を得ることができる。また、屈曲部13の応力緩和効果により、振動耐久性も向上させることができる。   That is, by adopting the configuration as in this embodiment, the effective length of the diaphragm 12 can be increased while maintaining the miniaturization of the piezoelectric power generation device, the resonance frequency is lowered, and the frequency range in which it is used is reduced. Impedance can be reduced. Therefore, by reducing the output impedance of the diaphragm 12 and approaching the input impedance of the load, the matching loss is reduced, so that a high power generation amount can be obtained in the vibration region on the low frequency side. Further, the vibration durability can be improved by the stress relaxation effect of the bent portion 13.

なお、屈曲部13の形状としては、例えば屈曲半径が振動板12厚みの3倍以上であることが、小型にもかかわらず発電量を向上できる点で好ましい。同様に、搭載面122の位置から屈曲部13までの距離(高さ)も、振動板12厚みの3倍以上であるのが効果的である。   In addition, as a shape of the bending part 13, for example, it is preferable that the bending radius is three times or more the thickness of the diaphragm 12 in terms of improving the power generation amount despite being small. Similarly, it is effective that the distance (height) from the position of the mounting surface 122 to the bent portion 13 is not less than three times the thickness of the diaphragm 12.

ここで、図2に示すように延出領域121は、搭載面122に垂直な方向の一方側(上方向)に向けて突出するように屈曲した屈曲部131および搭載面122に垂直な方向の他方側(下方向)に向けて突出するように屈曲した屈曲部132を有していることがより好ましい。具体的には、図2においては、振動板12の延出領域121において、搭載面122に平行な方向から垂直な方向(下方向)に向けて折れ曲がり、途中で折り返すように形成された屈曲部132と、続いて搭載面122に垂直な方向(上方向)に延びてから、折り返すように形成された屈曲部131とを有し、その後、搭載面122に垂直な方向から平行な方向に向けて折れ曲がるようになっている。なお、屈曲部131の外側では搭載面122に平行な方向(図における左右方向)に延びて、この外側に配置された第1の支持体21まで到達して、当該第1の支持体21に支持されている。このような構成とすることで、振動板12の変位がより大きくなるため、更に発電量を向上できる。   Here, as shown in FIG. 2, the extension region 121 has a bent portion 131 bent so as to protrude toward one side (upward) in a direction perpendicular to the mounting surface 122 and a direction perpendicular to the mounting surface 122. It is more preferable to have a bent portion 132 that is bent so as to protrude toward the other side (downward). Specifically, in FIG. 2, in the extension region 121 of the diaphragm 12, the bent portion is bent from the direction parallel to the mounting surface 122 toward the vertical direction (downward direction) and folded back halfway. 132, and a bent portion 131 formed so as to be folded after extending in a direction (upward) perpendicular to the mounting surface 122, and thereafter, from a direction perpendicular to the mounting surface 122 to a direction parallel to the mounting surface 122 And bends. It should be noted that the outside of the bent portion 131 extends in a direction parallel to the mounting surface 122 (the left-right direction in the figure), reaches the first support body 21 disposed on the outside, and reaches the first support body 21. It is supported. By setting it as such a structure, since the displacement of the diaphragm 12 becomes larger, electric power generation amount can be improved further.

また、図3に示すように、屈曲部131、132に近接して設けられ、屈曲部131、132の変位量を規制する第1のストッパー14を備えていてもよい。第1のストッパー14は、屈曲部131の上側および屈曲部132の下側に所定の間隔(搭載面122に垂
直な方向(上下方向)の過剰変位を抑制する程度の間隔)を有するように設けられたものであり、第1のストッパー14があることで、搭載面122に垂直な方向(上下方向)の過剰変位が生じようとしたときに振動板12の屈曲部131、132が第1のストッパー14にあたってその過剰変位が抑制されることから、過剰振動発生時の圧電発電装置の破損を抑制して耐久性を向上できる。図3に示す構成では、第1のストッパー14は第1の支持体21と一体に形成されているが、屈曲部131、132の過剰変位を規制するような構成であればよく、第1のストッパー14は第1の支持体21とは別体に形成され、第1の支持体21に固定されたものであってもよい。なお、上記の過剰変位を抑制する程度の間隔は、圧電発電装置の大きさに応じて例えば0.005〜1.0mmの範囲内で適宜決定される。
Further, as shown in FIG. 3, a first stopper 14 that is provided in the vicinity of the bent portions 131 and 132 and restricts the amount of displacement of the bent portions 131 and 132 may be provided. The first stopper 14 is provided on the upper side of the bent portion 131 and the lower side of the bent portion 132 so as to have a predetermined interval (an interval enough to suppress excessive displacement in a direction (vertical direction) perpendicular to the mounting surface 122). With the first stopper 14, the bending portions 131 and 132 of the vibration plate 12 have the first stop when the excessive displacement in the direction perpendicular to the mounting surface 122 (vertical direction) is about to occur. Since the excessive displacement of the stopper 14 is suppressed, damage to the piezoelectric power generation device when excessive vibration occurs can be suppressed and durability can be improved. In the configuration shown in FIG. 3, the first stopper 14 is formed integrally with the first support 21. However, any configuration that restricts excessive displacement of the bent portions 131 and 132 may be used. The stopper 14 may be formed separately from the first support 21 and fixed to the first support 21. In addition, the space | interval of the grade which suppresses said excessive displacement is suitably determined in the range of 0.005-1.0 mm according to the magnitude | size of a piezoelectric generator, for example.

さらに、図4に示すように、第1のストッパー14は屈曲部131、132が入り込む凹部141を有していてもよい。この凹部141は、搭載面122に平行な方向の変位を規制するために、屈曲部131の内側および外側、屈曲部132の内側および外側に所定の間隔(搭載面122に平行な方向の不規則な過剰変位を抑制する程度の間隔)を有するように設けられたものである。このような構成とすることで、搭載面122に平行な方向に想定していないような不規則な過剰変位が生じようとしても、振動板12の屈曲部131、132が第1のストッパー14に形成された凹部141にあたるため、搭載面122に平行な方向の不規則変位が抑制されるため、異常振動発生時の耐久性を向上できる。なお、上記の過剰変位を抑制する程度の間隔は、圧電発電装置の大きさに応じて例えば0.005〜1.0mmの範囲内で適宜決定される。   Furthermore, as shown in FIG. 4, the first stopper 14 may have a concave portion 141 into which the bent portions 131 and 132 enter. In order to restrict displacement in a direction parallel to the mounting surface 122, the concave portion 141 has a predetermined interval (irregularity in a direction parallel to the mounting surface 122) inside and outside the bent portion 131 and inside and outside the bent portion 132. It is provided so as to have an interval enough to suppress excessive displacement. With such a configuration, even if an irregular excessive displacement that is not assumed in a direction parallel to the mounting surface 122 is generated, the bent portions 131 and 132 of the diaphragm 12 are formed on the first stopper 14. Since it hits the formed recess 141, irregular displacement in a direction parallel to the mounting surface 122 is suppressed, so that durability when abnormal vibration occurs can be improved. In addition, the space | interval of the grade which suppresses said excessive displacement is suitably determined in the range of 0.005-1.0 mm according to the magnitude | size of a piezoelectric generator, for example.

また、図5に示すように、発電ユニット1は搭載面122に垂直な方向に数個配置されており、第1の支持体21は複数個の発電ユニット1を一体に支持していてもよい。なお、この場合において、平面透視にて各発電ユニット1の圧電素子11が重なりあうように配置されていることが好ましい。このような構成とすることで、複数個の圧電素子11を直列接続すると電圧が上昇でき、一方複数個の圧電素子11を並列接続すると電流が上昇できるため、さらに発電量を増加できる。   Further, as shown in FIG. 5, several power generation units 1 are arranged in a direction perpendicular to the mounting surface 122, and the first support 21 may integrally support a plurality of power generation units 1. . In this case, it is preferable that the piezoelectric elements 11 of the respective power generation units 1 are arranged so as to overlap each other in plan perspective. With such a configuration, the voltage can be increased when a plurality of piezoelectric elements 11 are connected in series, while the current can be increased when a plurality of piezoelectric elements 11 are connected in parallel, thereby further increasing the amount of power generation.

なお、この場合の搭載面122の位置から屈曲部13までの高さ(搭載面122の一方主面側(上側)および他方主面側(下側)に向かって屈曲する屈曲部131、132がある場合は、それぞれの高さの合計)は、例えば隣り合う振動板12の間隔の90%以下とされる。   In this case, the height from the position of the mounting surface 122 to the bent portion 13 (the bent portions 131 and 132 bent toward the one main surface side (upper side) and the other main surface side (lower side) of the mounting surface 122 are provided. In some cases, the sum of the respective heights) is, for example, 90% or less of the interval between the adjacent diaphragms 12.

また、図に示すように、それぞれの振動板12の延出領域121において、搭載面122より一方側に向けて突出するように屈曲した屈曲部13を有している場合に、それぞれの変位量を規制する第1のストッパー14を備えていてもよく、さらにそれぞれの第1のストッパー14は屈曲部13が入り込む凹部141を有していてもよい。   Further, as shown in the figure, when the extension region 121 of each diaphragm 12 has a bent portion 13 bent so as to protrude toward the one side from the mounting surface 122, each displacement amount May be provided, and each of the first stoppers 14 may have a recess 141 into which the bent portion 13 enters.

さらに、図6に示すように、複数個の発電ユニット1をそれぞれ外縁側から一体に支持する第1の支持体21と、複数個の発電ユニット1をそれぞれ圧電素子11の内側の領域で一体に支持する可動式の第2の支持体22を備えていてもよい。   Further, as shown in FIG. 6, the first support body 21 that integrally supports the plurality of power generation units 1 from the outer edge side, and the plurality of power generation units 1 are respectively integrated in the region inside the piezoelectric element 11. You may provide the movable 2nd support body 22 to support.

ここで、例えば複数の圧電素子11および複数の振動板12にはそれぞれ貫通孔が形成されていて、これらの貫通孔を挿通するように第2の支持体22が設けられている。具体的には、第2の支持体22は、複数の圧電素子11および複数の振動板12の貫通孔に挿通される棒状部221と、それぞれの圧電素子11および振動板12を挟持するように支持する支持部222とを備えている。ここで、棒状部221と支持部222とは、ボルト状とナット状とに形成されたものでもよく、互いに接着などされて固定されたものでもよい。これらは、それぞれの発電ユニット1の短絡を防止する意味で樹脂で形成されてもよ
く、また間隔をあけたり絶縁体を介在させたりするなどによりそれぞれの発電ユニット1の短絡を防止したうえで金属で形成されてもよい。
Here, for example, through holes are respectively formed in the plurality of piezoelectric elements 11 and the plurality of diaphragms 12, and the second support body 22 is provided so as to pass through these through holes. Specifically, the second support 22 sandwiches the piezoelectric elements 11 and the diaphragms 12 with the rod-shaped portions 221 inserted through the through holes of the plurality of piezoelectric elements 11 and the diaphragms 12. And a support portion 222 to support. Here, the rod-shaped portion 221 and the support portion 222 may be formed in a bolt shape and a nut shape, or may be bonded and fixed to each other. These may be formed of resin in the sense of preventing short circuit of each power generation unit 1, and metal after preventing short circuit of each power generation unit 1 by providing an interval or interposing an insulator. May be formed.

なお、第2の支持体22で複数個の発電ユニット1を固定したうえで、複数個の発電ユニット1のそれぞれの外縁側に第1の支持体21を一体に成型することで、図6に示す形態を容易に作製することができる。   In addition, after fixing the several electric power generation unit 1 with the 2nd support body 22, the 1st support body 21 is integrally shape | molded on each outer edge side of the several electric power generation unit 1, FIG. The form shown can be easily produced.

このような構成とすることで、全振動板12の変位方向を同期できる。そのため発生する電位が常に同位相となり、打ち消しあうことが無いことから、発電時のロスを低減できる。   By setting it as such a structure, the displacement direction of all the diaphragms 12 can be synchronized. For this reason, the generated potential is always in the same phase and does not cancel each other, so that loss during power generation can be reduced.

さらに、図7に示すように、第2の支持体22に近接して設けられ、第2の支持体22の変位量を規制する第2のストッパー15を備えていてもよい。第2のストッパー15は、第2の支持体22の上端の上側に所定の間隔(搭載面122に垂直な方向(上下方向)の過剰変位を抑制する程度の間隔)を有するように設けられたものであり、第2のストッパー15があることで、第2の支持体22を含めた全振動板12に当該搭載面122に垂直な方向(上下方向)の過剰変位が生じようとしたときに、第2の支持体22の上端が第2のストッパー15にあたってその過剰変位が抑制されることから、過剰振動発生時の圧電発電装置の破損を抑制して耐久性を向上できる。なお、図7に示す構成では、第2のストッパー15は第1の支持体21と一体に形成されているが、第2のストッパー15は第1の支持体21とは別体に形成され、第1の支持体21に固定されたものであってもよい。また、上記の過剰変位を抑制する程度の間隔は、圧電発電装置の大きさに応じて例えば0.005〜1.0mmの範囲内で適宜決定される。   Furthermore, as shown in FIG. 7, a second stopper 15 that is provided in the vicinity of the second support 22 and restricts the amount of displacement of the second support 22 may be provided. The second stopper 15 is provided on the upper side of the upper end of the second support 22 so as to have a predetermined interval (an interval enough to suppress excessive displacement in a direction (vertical direction) perpendicular to the mounting surface 122). When the second stopper 15 is present, all the diaphragms 12 including the second support 22 are about to be excessively displaced in the direction perpendicular to the mounting surface 122 (up and down direction). Since the excessive displacement of the upper end of the second support 22 is suppressed by the second stopper 15, the piezoelectric power generation device can be prevented from being damaged when excessive vibration occurs, thereby improving durability. In the configuration shown in FIG. 7, the second stopper 15 is formed integrally with the first support 21, but the second stopper 15 is formed separately from the first support 21, It may be fixed to the first support 21. Further, the interval enough to suppress the excessive displacement is appropriately determined within a range of, for example, 0.005 to 1.0 mm according to the size of the piezoelectric power generation device.

ここで、図8に示すように、第2のストッパー15は第2の支持体22が入り込む凹部151を有していてもよい。この凹部151は、第2の支持体22が搭載面122に平行な方向に変位するのを規制するために、第2の支持体22の上端部221の内側および外側に所定の間隔(搭載面122に平行な方向の不規則な過剰変位を抑制する程度の間隔)を有するように設けられたものである。このような構成とすることで、搭載面122に平行な方向に不規則な過剰変位が生じようとしても、第2の支持体22が第2のストッパー15に形成された凹部151にあたるため、搭載面122に平行な方向の不規則変位が抑制されるため、異常振動発生時の耐久性を向上できる。なお、上記の過剰変位を抑制する程度の間隔は、圧電発電装置の大きさに応じて例えば0.005〜1.0mmの範囲内で適宜決定される。   Here, as shown in FIG. 8, the second stopper 15 may have a recess 151 into which the second support 22 enters. The recess 151 has a predetermined interval (mounting surface) on the inner side and outer side of the upper end portion 221 of the second supporting member 22 in order to restrict the second supporting member 22 from being displaced in a direction parallel to the mounting surface 122. 122 is provided so as to have an interval sufficient to suppress irregular excessive displacement in a direction parallel to 122. By adopting such a configuration, even if an irregular excessive displacement occurs in a direction parallel to the mounting surface 122, the second support 22 hits the recess 151 formed in the second stopper 15. Since irregular displacement in a direction parallel to the surface 122 is suppressed, durability when abnormal vibration occurs can be improved. In addition, the space | interval of the grade which suppresses said excessive displacement is suitably determined in the range of 0.005-1.0 mm according to the magnitude | size of a piezoelectric generator, for example.

次に、本実施形態の圧電発電装置の具体例について説明する。   Next, a specific example of the piezoelectric power generation device of this embodiment will be described.

圧電素子は長さが8mm、幅が8mm、厚みが0.1mmの長方形板状の圧電体セラミックスと、その両主面に銀を主成分とした導体からなる電極とを含む構成のものとした。また、振動板は、長さが18mm、幅が10mm、厚みが0.1mmのリン青銅からなる金属板で、主面垂直方向に折り曲げて高さ3mmの位置に図1に示す形状の屈曲部を形成した。また、圧電素子と振動板は、アクリル系の接着剤で接着した。第1の支持体はエポキシ樹脂を用い、高さ6mmのものを用い作製した。   The piezoelectric element has a configuration including a rectangular plate-shaped piezoelectric ceramic having a length of 8 mm, a width of 8 mm, and a thickness of 0.1 mm, and electrodes made of a conductor mainly composed of silver on both main surfaces thereof. . The vibration plate is a metal plate made of phosphor bronze having a length of 18 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 0.1 mm, and is bent in a direction perpendicular to the main surface and having a height of 3 mm and a bent portion having the shape shown in FIG. Formed. The piezoelectric element and the diaphragm were bonded with an acrylic adhesive. The first support was made of an epoxy resin having a height of 6 mm.

上記のようにして作製した本実施例となる圧電発電装置の無負荷状態でのオープン出力電圧を測定した。周波数100Hz、加速度1Gの振動を加えたところ0.64Vの電圧が観測された。   The open output voltage in the no-load state of the piezoelectric power generation apparatus according to the present example manufactured as described above was measured. When a vibration with a frequency of 100 Hz and an acceleration of 1 G was applied, a voltage of 0.64 V was observed.

これに対し、比較例として、同様の外形寸法を持つ、屈曲部が振動板に形成されていな
い発電装置の出力電圧0.57Vに比べ、12%の電圧上昇がみられた。
On the other hand, as a comparative example, a voltage increase of 12% was observed as compared with the output voltage of 0.57 V of the power generation device having the same outer dimensions and the bent portion not formed on the diaphragm.

また、図2に示す形状のように、圧電発電装置の搭載面に垂直な方向の一方側に加え、搭載面に垂直な方向の他方側にも高さ3mmの位置に屈曲部を設けたところ、無負荷状態でのオープン出力電圧を測定は、周波数100Hz、加速度1Gの振動を加えると0.70Vと、更に向上した。   In addition to the shape perpendicular to the mounting surface of the piezoelectric generator, a bent portion is provided at a height of 3 mm on the other side in the direction perpendicular to the mounting surface as shown in FIG. The measurement of the open output voltage in the no-load state was further improved to 0.70 V when vibration with a frequency of 100 Hz and an acceleration of 1 G was applied.

上記の結果より本実施例の構成において、低周波数領域での発電量を向上できることを確認できた。   From the above results, it was confirmed that the power generation amount in the low frequency region can be improved in the configuration of this example.

1 発電部
11 圧電素子
12 振動板
121 延出領域
13、131、132 屈曲部
14 第1のストッパー
141 凹部
15 第2のストッパー
151 凹部
21 第1の支持体
22 第2の支持体
221 棒状部
222 支持部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power generation part 11 Piezoelectric element 12 Diaphragm 121 Extension area | region 13, 131, 132 Bending part 14 1st stopper 141 Recessed part 15 2nd stopper 151 Recessed part 21 1st support body 22 2nd support body 221 Rod-shaped part 222 Supporting part

Claims (9)

発電部である圧電素子と、振動板とを備え、該振動板に前記圧電素子が接合されてなる発電ユニットと、該振動板を支持する第1の支持体とを備えた圧電発電装置であって、前記振動板は、前記圧電素子から前記第1の支持体までの間の延出領域が、前記圧電素子を搭載する搭載面に垂直な方向の一方側に向けて突出するように屈曲した屈曲部および前記搭載面に垂直な方向の他方側に向けて突出するように屈曲した屈曲部を有していることを特徴とする圧電発電装置。 A piezoelectric power generation apparatus including a piezoelectric element that is a power generation unit and a vibration plate, a power generation unit in which the piezoelectric element is bonded to the vibration plate, and a first support that supports the vibration plate. Te, the diaphragm is extended region between said piezoelectric element to said first support, bent so as to protrude toward the one side in the direction perpendicular to the mounting surface for mounting the piezoelectric element A piezoelectric power generation device comprising a bent portion and a bent portion bent so as to protrude toward the other side in a direction perpendicular to the mounting surface . それぞれの前記屈曲部は曲面になっていることを特徴とする請求項1に記載の圧電発電装置。 The piezoelectric power generation device according to claim 1, wherein each of the bent portions is a curved surface . 前記振動板が金属材料からなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧電発電装置。   The piezoelectric power generator according to claim 1, wherein the diaphragm is made of a metal material. 前記屈曲部に近接して設けられ、該屈曲部の変位量を規制する第1のストッパーを備えていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のうちのいずれかに記載の圧電発電装置。   4. The piezoelectric power generation device according to claim 1, further comprising a first stopper that is provided in the vicinity of the bent portion and regulates a displacement amount of the bent portion. 5. . 前記第1のストッパーは前記屈曲部が入り込む凹部を有していることを特徴とする請求項4に記載の圧電発電装置。   The piezoelectric power generator according to claim 4, wherein the first stopper has a concave portion into which the bent portion enters. 前記発電ユニットが前記搭載面に垂直な方向に複数個配置されており、前記第1の支持体は複数個の前記発電ユニットを一体に支持していることを特徴とする請求項1乃至請求項5のうちのいずれかに記載の圧電発電装置。   The plurality of power generation units are arranged in a direction perpendicular to the mounting surface, and the first support body integrally supports the plurality of power generation units. 5. The piezoelectric power generation device according to claim 5. 複数個の前記発電ユニットをそれぞれ外縁側から一体に支持する前記第1の支持体と、複数個の前記発電ユニットをそれぞれ前記圧電素子の内側の領域で一体に支持する可動式の第2の支持体とを備えていることを特徴とする請求項6に記載の圧電発電装置。   The first support body that integrally supports a plurality of the power generation units from the outer edge side, and the movable second support that integrally supports the plurality of power generation units in a region inside the piezoelectric element, respectively. The piezoelectric power generation device according to claim 6, further comprising a body. 前記第2の支持体に近接して設けられ、該第2の支持体の変位量を規制する第2のストッパーを備えていることを特徴とする請求項7に記載の圧電発電装置。   The piezoelectric power generation device according to claim 7, further comprising a second stopper that is provided in the vicinity of the second support body and regulates a displacement amount of the second support body. 前記第2のストッパーは前記第2の支持体が入り込む凹部を有していることを特徴とする請求項8に記載の圧電発電装置。   The piezoelectric power generation device according to claim 8, wherein the second stopper has a concave portion into which the second support body enters.
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